Modulierende Wärmepumpen sind die neueste und leistungsfähigste Art von Wärmepumpen, aber nutzen wir ihre Eigenschaften bei der Planung von Erdwärmesonden bereits voll aus? In diesem Artikel untersuchen wir eine der wichtigsten Annahmen bei der Planung von Erdwärmesonden: die Effizienz der Wärmepumpe.
!Hinweis
Dieser Artikel stützt sich auf eine Untersuchung, die von Enead BV in Zusammenarbeit mit Alpha Innotec und wurde auf dem Geothermiekongress in Frankfurt (18. - 20. November 2025) vorgestellt.
Modulierende Wärmepumpen
Wärmepumpen sind sehr interessante und hochentwickelte Maschinen, die mit Hilfe eines Kompressors Wärme bei niedriger Temperatur in Wärme bei hoher Temperatur umwandeln können. Doch obwohl sie sich äußerlich ähneln, kann es im Inneren große Unterschiede geben. Einer dieser Hauptunterschiede besteht zwischen ein- und ausschaltbaren Wärmepumpen und modulierenden Wärmepumpen.
Bei einer On-Off-Wärmepumpe ist Ihr System (wie der Name schon sagt) immer zu 100 Prozent an oder zu 100 Prozent aus. Das bedeutet, dass sich Ihre Wärmepumpe bei geringem Heizbedarf mit maximaler Leistung einschaltet, eine kurze Zeit läuft und sich dann abschaltet. Dieses zyklische Verhalten führt zu einem hohen Verschleiß des Kompressors, weshalb immer mehr Hersteller auf modulierende Wärmepumpen umsteigen.
Wenn Ihre Wärmepumpe modulierend ist, bedeutet das, dass sie mit 100 Prozent ihrer Leistung arbeiten kann, aber auch mit 70 Prozent oder manchmal sogar mit 30 Prozent. Das heißt, wenn Ihr Gebäude nur einen geringen Bedarf hat, kann sie sich mit einer viel geringeren Leistung einschalten und dem Bedarf des Gebäudes genauer folgen. Daher haben modulierende Wärmepumpen weniger Start-Stopps, einen geringeren Verschleiß des Verdichters und sind im Allgemeinen leiser.
Wenn eine modulierende Wärmepumpe im Teillastbereich arbeitet (d. h. mit einer geringeren als der maximalen Leistung), ergibt sich ein weiterer großer Vorteil. Da nun die internen Komponenten der Wärmepumpe im Verhältnis zum Heizbedarf überdimensioniert sind, ist auch ihre Effizienz höher. Daher haben modulierende Wärmepumpen in der Regel einen höheren Wirkungsgrad als On-Off-Wärmepumpen.
!Hinweis
Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass On-Off-Wärmepumpen auch eine Form der Modulation aufweisen können. Wärmepumpen mit einer höheren Leistung (z. B. 64 kW) haben in der Regel mehrere Verdichter parallel. Wenn Sie z. B. 2 Verdichter haben, die zusammen die vollen 64 kW liefern können, kann ein Verdichter 32 kW liefern, was als 50% Teillast interpretiert werden kann.
Effizienz der Wärmepumpe
Die Effizienz von Wärmepumpen ist nicht ganz einfach und hängt von vielen Faktoren ab. Einer der wichtigsten Faktoren für die Effizienz von Wärmepumpen ist der so genannte Lift, d. h. das Delta T, das die Wärmepumpe zwischen der Quellentemperatur (in unserem Fall das Erdreich) und dem Gebäude liefern muss. Je geringer dieser Auftrieb ist, desto höher ist die Effizienz der Wärmepumpe. Bei modulierenden Wärmepumpen gibt es sogar noch einen zusätzlichen Freiheitsgrad, nämlich das Teillastverhalten, das einen ziemlich großen Einfluss auf die Effizienz hat.
Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe kann definiert werden als die Wärmemenge, die für eine bestimmte Strommenge geliefert werden kann, und liegt in der Regel zwischen 2,5 und 7. Dieser Wirkungsgrad wird in der Regel auf eine von zwei Arten angegeben:
- Die COP oder Leistungszahl (Coefficient of Performance) beschreibt die Effizienz der Wärmepumpe in diesem Moment. Er hängt von der Verflüssiger- und Verdampfertemperatur und bei modulierenden Wärmepumpen auch von der Teillastleistung ab.
- Die SCOP oder saisonale Leistungszahl ist ein allgemeiner Parameter, der den durchschnittlichen saisonalen Wirkungsgrad der Wärmepumpe unter Berücksichtigung von Temperaturschwankungen und unterschiedlichen Modulationsgraden schätzt. Er wird anhand einer bestimmten Norm (z. B. EN 14825) berechnet und bildet eine Grundlage für den Vergleich der Effizienz verschiedener Geräte.
Im Allgemeinen ist der SCOP-Wert für eine bestimmte Quellentemperatur höher als der COP-Wert für die gleichen Temperaturen, da der SCOP-Wert einen besseren Durchschnittswert für den Wirkungsgrad liefert als der COP-Wert.
!Hinweis
Das SCOP wird in der Regel mit B0/W35 definiert, wobei 0°C die Temperatur des Frostschutzgemischs im Boden und 35°C die Wassertemperatur ist, die es an das Gebäude abgibt. Für andere Emissionssysteme, die eine höhere Temperatur erfordern (z. B. Heizkörper), sind auch die Werte B0/W45 oder B0/W55 verfügbar.
Effizienz bei der Bohrlochgestaltung
Bei der Planung von Bohrlöchern hat man normalerweise eine Gebäudelast die Sie auf die eine oder andere Weise in eine Erdlast umwandeln müssen (d. h. Entnahme und Zuführung von Wärme). Dazu wird üblicherweise ein SCOP-Wert verwendet, der in den technischen Datenblättern zu finden ist. Allerdings gibt es bei dieser Annahme einige Probleme.
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Wenn Sie das SCOP verwenden, um die Spitzenleistung der Heizung in eine Entnahmespitzenleistung umzuwandeln, überschätzen Sie die Spitzenleistung, da der COP unter Spitzenbedingungen in der Regel niedriger ist als der des SCOP. Dies kann zu einem überdimensionierten Bohrlochfeld führen.
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Wenn Sie ein SCOP an B0/W35 verwenden, um den Heizungs- und Brauchwasserbedarf in eine Bodenlast umzuwandeln, gehen Sie davon aus, dass die Bodentemperatur bei 0°C liegt. In den meisten Entwürfen tritt dies jedoch, wenn überhaupt, erst nach einigen Jahren ein, was bedeutet, dass die Durchschnittstemperatur höher ist. Daraus ergibt sich ein höherer SCOP, so dass die Verwendung eines B0/W35-Werts eine Unterschätzung des Wirkungsgrads und damit des Ungleichgewichts darstellt, was zu einer Unterdimensionierung führen kann (siehe z. B. unseren Artikel über wie man mit Ungleichgewicht umgeht).
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Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe hängt von der Bodentemperatur ab und ändert sich daher je nach Auslegung. Da das SCOP jedoch in der Regel ein Eingang und nicht ein Ausgang einer Erdsondenanlage ist, ändert sich das SCOP nicht, wenn sich die Anlage ändert. Dies ist eher widersinnig.
Es sollte klar sein, dass es einige Herausforderungen und Ungewissheiten gibt, wenn nur ein SCOP für die Auslegung des Bohrlochs verwendet wird. Aus diesem Grund stellen wir im nächsten Abschnitt unsere neuesten Forschungsergebnisse zur Auslegung mit modulierenden und On-Off-Wärmepumpen vor.
Drei verschiedene Annahmen zur Effizienz
Für drei verschiedene Gebäude (ein Wohngebäude, ein Bürogebäude und ein Mehrzweckgebäude) wurden drei verschiedene Annahmen zur Umrechnung der Gebäudelast in eine Bodenlast untersucht:
- Das traditionelle, konstante SCOP (das in unserem Fall 4,86 beträgt)
- Ein temperaturabhängiger COP
- Ein temperatur- und teillastabhängiger COP
Obwohl einige Software (wie EWS und GLD) bereits den temperaturabhängigen COP berücksichtigt, gibt es derzeit kein Werkzeug, das mit dem Teillastverhalten einer modulierenden Wärmepumpe arbeiten kann.
Die Auswirkungen der verschiedenen Annahmen auf die erforderliche Bohrlochlänge und den berechneten Wirkungsgrad werden im Folgenden erläutert.
!Hinweis
Für die Effizienz der Wärmepumpe wurden die Daten einer SV62 Alpha Innotec Wärmepumpe verwendet.
Auswirkung auf die erforderliche Bohrlochlänge
Wenn wir uns die Auswirkungen unserer Effizienzannahme auf die erforderliche Bohrlochtiefe ansehen, stellen wir fest, dass es fast keine Unterschiede zwischen den drei verschiedenen Annahmen gibt. Im Fall des Mehrzweckgebäudes gibt es einen leichten Anstieg der erforderlichen Tiefe für einen Entwurf mit einer minimalen durchschnittlichen Flüssigkeitstemperatur von 3°C, wenn die Teillastabhängigkeit in den COP einbezogen wird. Der Anstieg beträgt jedoch nur 3 %, was vernachlässigbar ist.
Zusammenfassend kann man aus den oben genannten Fällen schließen, dass sich die Überschätzung der Spitzenleistung und die Unterschätzung des Ungleichgewichts, wie bereits erwähnt, gegenseitig auszugleichen scheinen, so dass das Design dem SCOP B0/W35-Design recht ähnlich ist. Der Wirkungsgrad ist jedoch ganz anders.
Auswirkungen auf die Effizienz
Nachfolgend ist der durchschnittlich berechnete SCOP für die drei verschiedenen Fälle dargestellt. Es ist zu erkennen, dass der offizielle B0/W35-Wirkungsgrad trotz der manchmal geringfügigen Abweichung dem temperaturabhängigen COP recht nahe kommt. Dies bedeutet, dass es auf der Grundlage der nachstehenden Beispiele keinen wirklichen Grund gibt, nur mit einem temperaturabhängigen COP zu arbeiten, da dies weder die Auslegung noch das SCOP verändert.
Bezieht man dagegen die Teillastabhängigkeit mit ein, so ergibt sich ein signifikanter Unterschied von 10 bis 50 Prozent bei SCOP zwischen dem offiziellen B0/W35 und dem erwarteten Wirkungsgrad. Dies ist auf einen doppelten Effekt zurückzuführen:
- Die Wärmepumpe arbeitet die meiste Zeit im effizienteren Teillastbetrieb und
- Im Teillastbetrieb sind die Flüssigkeitstemperaturen aufgrund der geringeren Wärmeabfuhr höher, was zu einem effizienteren Betrieb führt.
Um die Bedeutung der Teillastabhängigkeit zu verdeutlichen, zoomen wir auf das Mehrzweckgebäude. Unten ist das Temperaturprofil dargestellt.
Aus dem obigen Temperaturprofil ist ersichtlich, dass die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur recht stark schwankt. Wenn wir die ersten 5 Monate näher betrachten und uns den COP sowohl des temperaturabhängigen COP als auch des temperatur- und teillastabhängigen COP ansehen, sehen wir, dass die Schwankungen im letzteren viel ausgeprägter sind als wenn die Teillast nicht berücksichtigt wird. Zweitens kann man sehen, dass in Spitzenzeiten, wenn beide Wärmepumpen unter Volllast arbeiten, ihre Wirkungsgrade übereinstimmen.
In der nachstehenden Grafik sind die SCOP-Werte für jedes Jahr des Simulationszeitraums von 20 Jahren dargestellt. Es wird deutlich, dass bei Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der Wirkungsgrad zu Beginn höher ist als am Ende, was auf das von der Extraktion dominierte Bohrfeld zurückzuführen ist. Vor allem der rein temperaturabhängige COP endet nach 20 Jahren mit einem niedrigeren Wirkungsgrad als der SCOP B0/W35-Wert. Dies liegt daran, dass diese Annahme kein Standard-Teillastverhalten beinhaltet, wodurch der Wirkungsgrad in der Nähe von 0°C unterschätzt wird.
Der temperatur- und teillastabhängige COP zeigt dagegen deutlich den Vorteil einer modulierenden Wärmepumpe, deren Effizienz deutlich über dem offiziellen Wert von 4,86 B0/W35 liegt.
Design mit Teillast-COP's
Es sollte klar sein, dass die Einbeziehung des Teillastwirkungsgrads in Ihre Konstruktion viele Vorteile haben kann.
Zunächst einmal wird sich Ihre Konstruktion auf den Wirkungsgrad auswirken, so dass Sie schließlich die Auswirkungen einer höheren oder niedrigeren durchschnittlichen Mindesttemperatur der Flüssigkeit oder eines tieferen oder flacheren Bohrlochs erkennen können.
Zweitens werden Sie in der Lage sein, den Unterschied in der Effizienz bei der Wahl zwischen modulierenden und On-Off-Wärmepumpen zu beurteilen. Außerdem können Sie die Vorteile und Risiken einer überdimensionierten Wärmepumpe beurteilen, die mehr Zeit im Teillastbetrieb verbringen kann.
Am wichtigsten ist jedoch, dass Sie endlich die tatsächliche Effizienz einer Wärmepumpe zeigen können, die in der Regel weit über dem offiziellen B0/W35-Wert liegt. Eine Effizienzverbesserung von bis zu 50%, wie im obigen Fall des Büros, könnte die wirtschaftliche Bewertung deutlich zugunsten der geothermischen Lösung verändern.
Fazit
Heutzutage wird der offizielle Wert SCOP verwendet, um Gebäudelasten in Erdlasten umzurechnen, wobei die Temperatur und vor allem das Teillastverhalten einer modulierenden Wärmepumpe außer Acht gelassen werden.
Anhand von drei Fallstudien wurde gezeigt, dass die Einbeziehung dieser Nuance in die geothermische Auslegung die endgültige Auslegung nicht wesentlich verändert, wohl aber den errechneten SCOP-Wert.
Die Dimensionierung der Wärmepumpe wird der nächste große Schritt in der geothermischen Bohrfeldplanung sein, also bleiben Sie dran!
Bleiben Sie dran
Das Design mit Teillast-Wirkungsgrad wird im 1. Quartal 2026 auf GHEtool Cloud erscheinen!
Literaturverzeichnis
- Sehen Sie sich unsere Videoerklärung auf unserer YouTube-Seite an, indem Sie klicken hier.
- Peere, W. (2025). Integration von temperatur- und teillastabhängigem COP im oberflächennahen geothermischen Bohrfeld Design. In Tagungsband des Deutschen Geothermiekongresses DGK 2025. Frankfurt (Deutschland), 18-20 November 2025.